基于雙反星形整流器負(fù)載的TAPF補(bǔ)償方案研究

劉芳+魏家昊+林智凱

摘 要： 針對目前電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中快速變化的強(qiáng)非線性負(fù)載產(chǎn)生大量諧波和無功的問題，以混合型有源電力濾波器TAPF的諧波與無功補(bǔ)償技術(shù)為背景，基于雙反星形整流器負(fù)載將傳統(tǒng)的阻抗型補(bǔ)償裝置TSC和并聯(lián)型APF相結(jié)合構(gòu)成TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)。由TSC 進(jìn)行大容量無功補(bǔ)償，APF進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償，以使系統(tǒng)具有優(yōu)良的諧波與無功補(bǔ)償特性及自適應(yīng)性，提高了電網(wǎng)電能質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，該TAPF補(bǔ)償方案對工業(yè)中應(yīng)用雙反星形整流器負(fù)載所引起的一系列與諧波和無功有關(guān)的電能質(zhì)量問題進(jìn)行了很好的解決。

關(guān)鍵詞： TAPF； 諧波與無功補(bǔ)償； 雙反星形整流器； 工業(yè)應(yīng)用

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0137?04

0 引 言

在電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常需要低電壓大電流（例如幾十伏，幾千至幾萬安）的直流電源。在這種情況下，可采用帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路，與諸如橋式電路等其他類型電路相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)電路中晶閘管數(shù)目相同時，雙反星形電路可輸出更大以至成倍的電流，即輸出電流一定時，需要的晶閘管數(shù)目少。這就簡化了相應(yīng)的控制電路，節(jié)約了工業(yè)經(jīng)濟(jì)成本，所以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是雙反星形整流器在并網(wǎng)運(yùn)行時，其具有的強(qiáng)非線性的特點(diǎn)，相當(dāng)于諧波污染源，給電網(wǎng)注入了大量的諧波及無功，造成了電網(wǎng)電壓波動，功率因數(shù)下降等一系列嚴(yán)重影響電能質(zhì)量及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。

對此，工業(yè)應(yīng)用中必須采取有效的措施抑制此種負(fù)載產(chǎn)生的大量諧波和無功電流。本文采取將并聯(lián)型APF和TSC相結(jié)合的TAPF補(bǔ)償方案，對電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中常用的雙反星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償。文章對雙反星形整流器作了介紹，著重分析了TAPF補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)，并對其補(bǔ)償原理及控制策略進(jìn)行了分析。通過Matlab仿真將TAPF系統(tǒng)與未補(bǔ)償系統(tǒng)以及傳統(tǒng)僅用APF補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)進(jìn)行了對比分析，驗證了該方案的有效性和可行性。

1 雙反星形整流器

工業(yè)中常用的雙反星形整流器結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示。整流變壓器的二次側(cè)每相有2個匝數(shù)相同、極性相反的繞組，分別接成2組三相半波電路，即a，b，c一組，a′，b′，c′一組。a 與a′繞在同一相鐵心上，圖中“·”表示同名端。同樣b與b′，c與c′都繞在同一相鐵心上，故得名雙反星形電路。為了實現(xiàn)2組半波整流電路能夠同時導(dǎo)通使每組各承擔(dān)一半負(fù)載，可接入電感值為Lp的平衡電抗器。因此，與諸如橋式電路等其他電路相比，當(dāng)電路中晶閘管數(shù)目相同時，雙反星形電路的輸出電流更大，常用于電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中來達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的目的。

圖1 雙反星形整流器結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

2 TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 TAPF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

圖2為TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中的雙反星形整流器負(fù)載作為諧波污染源產(chǎn)生大量的諧波和無功電流注入電網(wǎng)，采用混合補(bǔ)償?shù)腡APF方案，實時檢測雙反星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功，APF補(bǔ)償系統(tǒng)中的諧波電流，并且通過分組投切適當(dāng)容量的電容器對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，通過設(shè)置多組不同容量的電容器進(jìn)行投切，可以實現(xiàn)更大容量的無功補(bǔ)償。TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)中的APF和TSC在運(yùn)行時可根據(jù)負(fù)載容量的情況進(jìn)行合理的容量搭配。

圖2 TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

APF補(bǔ)償環(huán)節(jié)由主電路、指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控電路、驅(qū)動電路這4個基本電路組成[1]。其工作過程為：首先由指令電流運(yùn)算電路檢測出雙反星形整流器在工作時輸出電流中所包含的諧波和無功成分，得出要補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶钚盘栕鳛殡娏鞲櫩刂齐娐返妮斎?，然后由電流跟蹤控制電路輸出控制信號，該信號?jīng)驅(qū)動電路放大去控制主電路中可控器件的門極打開或關(guān)斷，使主電路輸出補(bǔ)償電流。此補(bǔ)償電流與雙反星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波與無功電流幅值相等，相位差180°，這樣就能抑制與補(bǔ)償電網(wǎng)電流中大量的諧波與無功成分。

諧波含量及無功成分通常用總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）以及功率因數(shù)（Power Factor，PF）衡量，其表達(dá)式分別為：

[THD=I22+I23+...+I2nI1] （1）

[PF=UI1cos?1UIrms=I1cos?1I21+I22+...+I2n] （2）

由式（1） 和式（2）可得電網(wǎng)功率因數(shù)與總諧波畸變率的關(guān)系為：

[PF=cos?11+THD2] （3）

由式（3）可以看出THD值越小，即電網(wǎng)諧波含量越低，其功率因數(shù)就越高。

APF主電路是三相電壓型PWM變流器，采用可控電力電子器件作為變流器的開關(guān)。有一個小容量的高通濾波器與APF并聯(lián)，該高通濾波器用于濾除APF所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開關(guān)頻率附近的諧波，從而達(dá)到消除系統(tǒng)中高次諧波的目的，提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量。其中濾波電容的表達(dá)式為：

[Cmin=1ω1U1i=knIω（ni）ni] （4）

式中：ω1為電網(wǎng)電壓的基波角頻率；U1為無畸變電網(wǎng)電壓電壓值；Ni為高通濾波器濾除的電流的次數(shù)；Iω（ni）為濾除高次諧波的無功電流。

為減小投資成本，濾波電容C的容量應(yīng)盡可能小。通過確定截止頻率f0即可算出高通濾波器中電阻R值：

[R=12πf0C] （5）

濾波電感的表達(dá)式為：

[L=mR2C] （6）

式中m為濾波器調(diào)諧曲線的形狀系數(shù)，為了保證該高通濾波器品質(zhì)因數(shù)較高，濾波性能優(yōu)良，可取m=2。TSC補(bǔ)償環(huán)節(jié)由主電路、無功檢測電路、參數(shù)運(yùn)算電路、投切控制電路、觸發(fā)電路這5個基本電路組成。TSC的主電路中電容器為三角形聯(lián)接方式，每相由一個進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)碾娙萜?，一對反并?lián)的控制電容器投入或切除的晶閘管和一個抑制沖擊電流的小電感組成。通過控制主電路中可控電力電子器件的門極來實現(xiàn)電容器組的并網(wǎng)投切，從而實現(xiàn)無功補(bǔ)償。三角形連接的電容器組的容量為：

[Qc=3U2Ic×10-3=3U2?U2ω1C×10-3 =6πf1CU22×10-3] （7）

式中：U2為裝設(shè)地點(diǎn)電網(wǎng)線電壓，單位：V；IC為電容器組的線電流，單位：A；C為每相電容器組的電容量，單位：F。

2.2 TAPF控制策略的設(shè)計

TAPF方案的補(bǔ)償性能跟APF環(huán)節(jié)的指令電流運(yùn)算電路息息相關(guān)，指令電流運(yùn)算電路能實時、準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)電流中變化的諧波和無功成分才能為實現(xiàn)優(yōu)良的補(bǔ)償性能奠定基礎(chǔ)。在實際工業(yè)應(yīng)用中，三相電網(wǎng)電壓不對稱且會發(fā)生畸變，為精確檢測出雙反星形整流器產(chǎn)生的諧波和無功電流，本文采用基于d?q變換的瞬時檢測電流的方法[2?4]。此外還要求電流跟蹤控制電路具有對電網(wǎng)電流的實時跟蹤能力，對比現(xiàn)代和智能控制策略，從應(yīng)用范圍與難易程度來看，經(jīng)典控制策略——滯環(huán)比較法和三角波比較法應(yīng)用廣泛、簡單可靠[5?6]。本文采用濾波效果好且較簡單的滯環(huán)比較控制策略，通過確定合適的滯環(huán)環(huán)寬來對APF主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤控制。TAPF補(bǔ)償方案中TSC的投切控制策略主要有：功率因數(shù)控制、無功功率控制、電壓控制和復(fù)合式控制方式[7?9]。本文采用無功功率控制法來控制電容器組并網(wǎng)投切，方法簡單可靠，易于實現(xiàn)。

3 仿真及結(jié)果分析

建立TAPF系統(tǒng)的Matlab仿真模型，如圖3所示。

圖3 TAPF系統(tǒng)總體仿真模型

系統(tǒng)的總體仿真模型由4部分構(gòu)成：三相正序交流電源模塊、雙反星形整流器模塊、APF模塊、TSC模塊。其中雙反星形整流器模塊作為電路的諧波源和無功源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率。本文在三相220 V供電系統(tǒng)下，根據(jù)公式的計算以及綜合實際情況，仿真參數(shù)取APF交流側(cè)平波電抗器的值為450 μH，直流側(cè)電壓Udc=750 V，APF輸出高通濾波器截止頻率取3.6 kHz，電容器C=22 μF，R=2 Ω，L=178 μH。TSC每組電容器的補(bǔ)償容量為4.5 kvar，電容器組的C=49.15 μF。裝設(shè)地點(diǎn)電網(wǎng)線電壓[U2=1803]V，仿真算法選取 ode23tb。由于系統(tǒng)采用的雙反星形整流器是三相對稱負(fù)荷，所以A、B、C 三相的波形相同，只是相位不同，為了研究的方便，這里只給出A相的仿真結(jié)果。

3.1 未補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果

基于雙反星形整流器負(fù)載未補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 未補(bǔ)償時負(fù)載電流波形及其THD分析

未進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償時，雙反星形整流器產(chǎn)生的負(fù)載電流經(jīng)powergui的FFT分析，可知其THD值達(dá)到45.90%，諧波電流含量較大，功率因數(shù)較低。

3.2 APF單獨(dú)補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真

APF單獨(dú)補(bǔ)償之后的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）中可以看出電網(wǎng)電流已基本呈正弦形狀。由圖5（b）可知電網(wǎng)電流的THD值已達(dá)到3.19%，與未加APF之前THD=45.90%相比，諧波含量大大減少，說明APF確實有效地抑制了系統(tǒng)的諧波。但是，仔細(xì)觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)APF單獨(dú)作用時電網(wǎng)電流ias和電網(wǎng)電壓uas之間存在的一定的相位差，說明此時系統(tǒng)存在無功功率的消耗。為了降低工業(yè)成本，減小APF的容量，其單獨(dú)投入APF的仿真中并未過多補(bǔ)償系統(tǒng)無功，此時系統(tǒng)仍然存在大量無功功率的消耗。由圖5（c）看出A相無功功率Qa幅值比有功功率Pa幅值還大，說明此時的功率因數(shù)很低，從圖5（d）中可以更直觀地看出APF單獨(dú)作用時系統(tǒng)功率因數(shù)較低。

綜上分析可知，APF單獨(dú)作用時可以有效地抑制電路的諧波損耗，但是，此時電路的無功損耗仍然較大，故需采取TAPF綜合補(bǔ)償方案對其進(jìn)行補(bǔ)償。

3.3 TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)仿真結(jié)果的分析

采用APF和TSC同時投入的TAPF綜合補(bǔ)償方案的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 APF單獨(dú)補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果

由圖6的仿真結(jié)果可知，TAPF的投入，基本上使電網(wǎng)電流相位與電網(wǎng)電壓同步，補(bǔ)償了電路的無功損耗，如圖6（a）所示。

TSC投入之后，從圖6（c）～圖6（d）可看出無功功率Qa基本上已經(jīng)趨于0 var，功率因數(shù)基本上趨于1，達(dá)到了無功補(bǔ)償?shù)哪康摹１娝苤?，投入TSC之后將會給電網(wǎng)帶來部分的諧波，觀察圖6（b）所示該電路的電網(wǎng)電流THD值，可以發(fā)現(xiàn)其為4.80%，與APF單獨(dú)補(bǔ)償時的THD值3.19%相比有所提高，但是與未補(bǔ)償系統(tǒng)的THD值45.90%相比，諧波含量已經(jīng)大大減小，處于可以接受的范圍之內(nèi)。

綜上分析可知，采取由并聯(lián)型APF和TSC相結(jié)合的TAPF綜合補(bǔ)償方案，可以有效地濾除工業(yè)應(yīng)用中雙星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的各次諧波，并對其進(jìn)行有效的動態(tài)無功補(bǔ)償。

圖6 采用TAPF綜合補(bǔ)償方案的仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以電解電鍍工業(yè)中的雙反星形整流器作為負(fù)載，采用并聯(lián)型APF和TSC組成的TAPF綜合補(bǔ)償方案對其補(bǔ)償。從補(bǔ)償效果分析，可知TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)具有APF良好的諧波補(bǔ)償性能和TSC易于補(bǔ)償大容量無功的特點(diǎn)。綜合了有源與無源補(bǔ)償?shù)拈L處，既提高電網(wǎng)功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，又有效地降低僅用APF補(bǔ)償時所需要的高經(jīng)濟(jì)成本，對于工業(yè)應(yīng)用具有十分廣闊的前景。

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